Среда, 21 февраля, 2024
ДомойХимияБудущее устойчивой энергетики? Ученые создали первую в мире батарею, используя гемоглобин

Будущее устойчивой энергетики? Ученые создали первую в мире батарею, используя гемоглобин

- Advertisement -

Исследователи из Университета Кордовы в сотрудничестве с другими учреждениями разработали новый тип батареи, используя гемоглобин в качестве катализатора в воздушно-цинковых батареях. Эта биосовместимая батарея может работать до 30 дней и обладает рядом преимуществ, таких как экологичность и пригодность для использования в устройствах, предназначенных для тела человека. Несмотря на то, что эта инновация не является перезаряжаемой, она знаменует собой значительный шаг на пути к альтернативам экологически чистым батареям, устраняя ограничения существующих литий-ионных батарей. (Концепция художника.) Фото: SciTechDaily.com

Исследователи из Химического института энергетики и окружающей среды (IQUEMA) Университета Кордовы разработали батарею, в которой гемоглобин используется для облегчения электрохимических реакций, сохраняя функциональность примерно от 20 до 30 дней.

Гемоглобин — это белок, присутствующий в красных кровяных тельцах, который отвечает за транспортировку кислорода из легких к различным тканям организма (а затем за перенос углекислого газа наоборот). Он имеет очень высокое сродство к кислороду и имеет основополагающее значение для жизни, но что, если бы он был также ключевым элементом для электрохимических устройств, в которых кислород также играет важную роль, таких как воздушно-цинковые батареи?

Это то, что группы физической химии (FQM-204) и неорганической химии (FQM-175) Университета Кордовы (UCO) хотели проверить и разработать совместно с командой Политехнического университета Картахены после исследования, проведенного Оксфордский университет а проект выпускной степени в UCO продемонстрировал, что гемоглобин обладает многообещающими свойствами для процесса восстановления и окисления (окислительно-восстановительного процесса), посредством которого генерируется энергия в системах этого типа.

Исследовательская группа Университета Кордовы. Предоставлено: Университет Кордовы.

Таким образом, исследовательская группа в рамках проекта «Доказательство концепции» разработала первую биосовместимую батарею (которая безвредна для организма), использующую гемоглобин в электрохимической реакции, которая преобразует химическую энергию в электрическую.

Механизм и преимущества гемоглобиновой батареи

При использовании воздушно-цинковых батарей, одной из наиболее устойчивых альтернатив тем, которые в настоящее время доминируют на рынке (литий-ионные батареи), гемоглобин будет действовать в таких батареях как катализатор. То есть это белок, который отвечает за облегчение электрохимической реакции, называемой реакцией восстановления кислорода (ORR), в результате которой после попадания воздуха в батарею кислород восстанавливается и превращается в воду в одной из частей батареи. (катод или положительный полюс), высвобождая электроны, которые переходят к другой части батареи (аноду или отрицательному полюсу), где происходит окисление цинка.

Как объясняет исследователь UCO Мануэль Кано Луна: «Чтобы быть хорошим катализатором в реакции восстановления кислорода, катализатор должен обладать двумя свойствами: он должен быстро поглощать молекулы кислорода и относительно легко образовывать молекулы воды. И гемоглобин отвечал этим требованиям». Фактически, благодаря этому процессу команде удалось заставить свой прототип биосовместимой батареи работать с 0,165 миллиграммами гемоглобина в течение 20–30 дней.

Помимо высоких характеристик, разработанный ими прототип батареи имеет и другие преимущества. Прежде всего, воздушно-цинковые аккумуляторы более устойчивы и выдерживают неблагоприятные атмосферные условия, в отличие от других аккумуляторов, подверженных влиянию влажности и требующих для своего производства инертной атмосферы.

Во-вторых, как утверждает Кано Луна, «использование гемоглобина в качестве биосовместимого катализатора весьма перспективно с точки зрения использования этого типа батарей в устройствах, интегрированных в организм человека», таких как кардиостимуляторы. Фактически, батарея работает при pH 7,4, что соответствует pH крови. Кроме того, поскольку гемоглобин присутствует почти у всех млекопитающих, можно использовать и белок животного происхождения.

Вызовы и будущие направления

Однако разработанная ими батарея имеет возможности для улучшения. Главный из них заключается в том, что это первичная батарея, поэтому она разряжает только электрическую энергию. Кроме того, он не является перезаряжаемым. Поэтому команда уже предпринимает следующие шаги, чтобы найти еще один биологический белок, способный превращать воду в кислород и, таким образом, перезаряжать батарею. Кроме того, батареи будут работать только в присутствии кислорода, поэтому их нельзя будет использовать в космосе.

Исследование, опубликованное в журнале Энергетика и топливо, открывает двери для новых функциональных альтернатив батареям в контексте, в котором ожидается все больше и больше мобильных устройств и в котором растет приверженность возобновляемым источникам энергии, так что необходимо иметь устройства, которые хранят избыточную электрическую энергию в виде химической энергии. Самое главное, что наиболее распространенные сегодня батареи, литий-ионные, обременены проблемами нехватки лития и его воздействия на окружающую среду как опасные отходы.

Ссылка: «Цинко-воздушная батарея на основе человеческого гемоглобина в нейтральном электролите», авторы: Валентин Гарсия-Кабальеро, Себастьян Лорка, Марта Вилья-Морено, Альваро Кабальеро, Хуан Х. Гинер-Касарес, Антонио Х. Фернандес-Ромеро и Мануэль Кано, 25 сентября 2023 г., Энергетика и топливо.
DOI: 10.1021/acs.energyfuels.3c02513

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме